氧化鋁陶瓷基板作為目前應(yīng)用最廣，用量最大的陶瓷基板，被應(yīng)用于LED功率照明、半導(dǎo)體致冷器、功率混合電路、高頻開(kāi)關(guān)電源，固態(tài)繼電器、激光等工業(yè)電子。其由氧化鋁粉體混合粉碎、脫泡、基板成型、沖切、燒結(jié)、切割加工等工藝而成。由于化學(xué)和物理特性穩(wěn)定，氧化鋁陶瓷基板作為一種精密陶瓷材料廣為人知。
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要獲得高性能的陶瓷基板，必須其原材料——氧化鋁粉體質(zhì)量也需要優(yōu)異。主要包括氧化鋁的粒度分布、雜質(zhì)和微量元素含量、氧化鋁的水份指標(biāo)、氧化鋁的顆粒形貌等參數(shù)均有較高的要求。根據(jù)具體的應(yīng)用不同，其參數(shù)要求也不盡相同。
Al2O3的同質(zhì)多晶體可達(dá)10多種，其主要晶型有如下4種:α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3和ζ-Al2O3。一般而言，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al2O3陶瓷的機(jī)械性能、電性能、熱性能和化學(xué)性能等都會(huì)得到提升。下圖為室溫下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3陶瓷的性能對(duì)比表。
通常情況下，氧化鋁是一種白色晶狀粉末，當(dāng)純度達(dá)到99.99%以上的稱(chēng)為高純氧化鋁。具有卓越的硬度、高亮度、隔電性、超級(jí)耐磨損性和高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。高端氧化鋁陶瓷基板通常采用99高純氧化鋁瓷。Al?O?-SEM 圖源自網(wǎng)絡(luò)
高純度Al?O?的制備方法多種多樣，各廠家的生產(chǎn)方法也是百花齊放。制備方法主要包括水解異丙醇鋁法、水解高純鋁法、熱解硫酸鋁銨法、熱解碳酸鋁銨法、改良拜耳法沉淀法及焙燒法等。到現(xiàn)在為止實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)僅有熱解硫酸鋁銨法、熱解碳酸鋁銨法和異丙醇鋁水解法三種；處于試驗(yàn)研究階段的有凝膠-溶膠法、噴霧熱解法、水解低碳烷基鋁法、水熱法、離子體法等。下面一起來(lái)看看用于制備高純氧化鋁粉體的制備方法。
水解異丙醇鋁法
醇鋁水解的方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多。在催化劑存在下，首先將金屬鋁和有機(jī)醇混合反應(yīng)得到醇鋁溶液，然后再經(jīng)過(guò)水解、高溫焙燒中間體獲得高純氧化鋁產(chǎn)品。該方法的優(yōu)點(diǎn)是制備的氧化鋁產(chǎn)品純度高且粒徑小，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高，工藝過(guò)程很復(fù)雜而且過(guò)程控制比較困難，因此經(jīng)濟(jì)效益不高。紀(jì)洪波等把異丙醇溶液換成異辛醇溶液，大大地降低了生產(chǎn)所需要的成本價(jià)格，縮短了反應(yīng)時(shí)間，使反應(yīng)效率得以迅速提高。此外，要制得高純氧化鋁，非常重要的一點(diǎn)就是需要對(duì)異丙醇鋁進(jìn)行深度除雜。水解高純鋁法
首先將金屬鋁急冷霧化制成活性粉末，水解和霧化運(yùn)用的是從經(jīng)過(guò)四級(jí)反滲透和樹(shù)脂交換處理的自來(lái)水中分離出來(lái)電阻率>12MΩ的去離子水，采用自制霧化裝置以霧化方式制備活性鋁粉，它結(jié)合了超音速霧化和離心兩種方法;之后高純鋁在去離子水中水解反應(yīng)一段時(shí)間，最終可得到99.999%的氧化鋁產(chǎn)品。
硫酸鋁銨熱解法
熱解硫酸鋁銨的方法是一種很傳統(tǒng)的制備方法，國(guó)內(nèi)外的科研者對(duì)此均有研究。該工藝的重點(diǎn)是控制合成條件以得到純凈的硫酸鋁銨，或者對(duì)所得硫酸鋁銨進(jìn)行多次結(jié)晶，達(dá)到純化的目的。它的優(yōu)點(diǎn)是原料便宜容易獲得，產(chǎn)生的母液可循環(huán)使用，減少了廢液處理的負(fù)擔(dān)；缺點(diǎn)是可能會(huì)煅燒不充分致使產(chǎn)品的SO?2-。含量較大，純度不理想，而且產(chǎn)生的氨氣和三氧化硫需要作進(jìn)一步處理，以免污染環(huán)境。
在制備高純氧化鋁時(shí)，可以考慮采用分子篩或活性炭來(lái)吸附雜質(zhì)，也可以運(yùn)用殼聚糖或乙二胺四乙酸作絡(luò)合劑來(lái)絡(luò)合雜質(zhì)，但是均不能達(dá)到深度去除痕量級(jí)雜質(zhì)的目的。
水解高純鋁法
該方法改進(jìn)了上述的熱解硫酸鋁銨的技術(shù)，具體操作是向溶液中加入適量的NH4HCO3使其與NH4AI(SO?)?反應(yīng)得到氧化鋁的前驅(qū)體(AACH)，再通過(guò)在高溫(不低于800℃)下焙燒制得高純Al?O?。
該制備方法克服了硫酸鋁銨生產(chǎn)工藝污染環(huán)境的缺點(diǎn)，但是同時(shí)加重了對(duì)廢液(NH4)SO?處理的負(fù)擔(dān)，對(duì)環(huán)境也是一種污染。
沉淀法
沉淀法是使用非強(qiáng)堿性化合物作為沉淀劑，通過(guò)沉淀反應(yīng)使原料中的有效成分沉淀出來(lái)，包括共沉淀法、直接沉淀法和均勻沉淀法。共沉淀法是先將沉淀劑添加到混合后的溶液中，再通過(guò)熱分解沉淀物得到所需粒子;溶液中的Al3+與沉淀劑直接反應(yīng)，析出不溶于水的物質(zhì)叫做直接沉淀法;均勻沉淀法實(shí)際上就是對(duì)直接沉淀法的改良，使Al3+與沉淀劑反應(yīng)形成沉淀物。該方法工藝簡(jiǎn)單易于工業(yè)化，原料來(lái)源方便，沒(méi)有昂貴的試劑，容易得到粒度可控，分散性良好，高純度超細(xì)的氧化鋁粉末，具有很好的發(fā)展前景。它的缺點(diǎn)是對(duì)溶液組成，濃度，反應(yīng)溫度等條件的要求較高和時(shí)間。焙燒法
焙燒法是通過(guò)精確的燒結(jié)溫度來(lái)制備高純度氧化鋁。通常以原油材料來(lái)制備氫氧化鋁，然后焙燒成高純度的氧化鋁。萊仕莉等人研究了硫酸銨燒結(jié)法，提取氧化鋁來(lái)制備高純度的氧化鋁。具體步驟如下：鋁酸鈉→脫Si、脫Fe→水解→氫氧化鋁粉→焙燒→酸洗→高純氧化鋁粉該焙燒法的優(yōu)點(diǎn)是原料來(lái)源方便，可獲得質(zhì)地均勻且純度可達(dá)99.99%的產(chǎn)品，具有良好的發(fā)展前景。它的缺點(diǎn)很難控制焙燒溫度，較高的溫度會(huì)增加能源和成本消耗，較低的溫度會(huì)影響產(chǎn)品的容量，所以該方法通常與其他方法結(jié)合使用。改良拜耳法
傳統(tǒng)拜耳法利用氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化的性質(zhì)制備氧化鋁，氧化鈉濃度與溫度的變化關(guān)系具體過(guò)程如下：鋁土礦→堿液浸出→凈化→分解→Al(OH)?→焙燒→工業(yè)級(jí)Al(OH)?→多次凈化→高純度Al?O?。
國(guó)內(nèi)部分廠家的拜耳工藝已經(jīng)進(jìn)行了改進(jìn)，其過(guò)程如下：NaAlO?→脫Si→除Fe→水解→高純度Al(OH)?→高溫煅燒→研磨→高純度Al?O?。拜耳法的原料來(lái)源廣泛，成本較低，且新方法比傳統(tǒng)方法更簡(jiǎn)單、純度更高。
溶膠—凝膠法
凝膠法基本原理是：將鋁鹽(高純硝酸鋁或氯化鋁等)和高純氨或銨鹽溶液經(jīng)處理后，即得溶膠-凝膠氧化鋁，然后通過(guò)無(wú)水乙醇洗滌，陳化，干燥，焙燒得到超細(xì)氧化鋁粉末。這種方法優(yōu)點(diǎn)是不易引入雜質(zhì)因?yàn)闆](méi)有經(jīng)過(guò)機(jī)械混合，高純度，顆粒分散性好。缺點(diǎn)是原料成本高，有機(jī)溶劑有毒污染環(huán)境。為了使產(chǎn)品質(zhì)地相對(duì)較軟，少些硬團(tuán)聚產(chǎn)生，可以尋找相應(yīng)的表面活性劑加入到溶液中。法火花放點(diǎn)法
雖然常溫常壓下金屬鋁在水中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，但是由于鋁表面有一層致密的氧化鋁薄膜，會(huì)阻止內(nèi)部的鋁與水進(jìn)一步反應(yīng)。火花放電法利用火花放電產(chǎn)生的高溫可使鋁轉(zhuǎn)化為活性鋁與水反應(yīng)，同時(shí)可破壞氧化鋁薄膜，暴露出的細(xì)小鋁粒不斷與水反應(yīng)生成AI(OH)?，再經(jīng)過(guò)煅燒得到Al?O?。該方法綠色環(huán)保，但是制備過(guò)程中能耗較大，不能忽視重大安全隱患，所以不適宜規(guī)模化的生產(chǎn)。目前高純氧化鋁粉體市場(chǎng)被住友化學(xué)、SOSAL、法國(guó)Baikowski、日本大明化學(xué)等企業(yè)壟斷，其中住友化學(xué)是市場(chǎng)份額最大的企業(yè)，占據(jù)全球高端市場(chǎng)60%份額。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高純超細(xì)氧化鋁粉體的企業(yè)很多，但真正能批量生產(chǎn)并有一定市場(chǎng)份額的屈指可數(shù)。近年來(lái)雖然國(guó)產(chǎn)高純氧化鋁粉體在純度以及微量雜質(zhì)元素上實(shí)現(xiàn)了突破但是還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1、不同批次粉體之間的穩(wěn)定性相對(duì)較差；2、粉體的粒度分布及團(tuán)聚情況研究及認(rèn)識(shí)深度不高；以上兩大主要問(wèn)題導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)高純氧化鋁粉體制備依然存在一些問(wèn)題，無(wú)法與進(jìn)口高純氧化鋁粉體相提并論。產(chǎn)品附加值低，難以進(jìn)入國(guó)際高端市場(chǎng)。要獲得高純高質(zhì)量氧化鋁粉體，國(guó)產(chǎn)化還需要很長(zhǎng)的路走。
為了進(jìn)一步加強(qiáng)交流，艾邦建有陶瓷基板交流群，誠(chéng)邀DBC、DPC、AMB、LAM、LTCC、HTCC陶瓷基板，氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅粉體及陶瓷基片生產(chǎn)企業(yè)、設(shè)備、材料、輔助耗材，以及下游應(yīng)用LED、VCSEL、IGBT、汽車(chē)、半導(dǎo)體、射頻封裝等需求企業(yè)參與。目前群友包括：三環(huán)集團(tuán)、佳利電子、中電13所、45所、55所、中瓷電子、福建華清、富樂(lè)德、艾森達(dá)、萊鼎、鄭州中瓷、浙江新納、博敏電子、珠海粵科京華、富力天晟斯利通、金瑞欣、沃晟微等加入。
活動(dòng)推薦：
第二屆高端電子陶瓷MLCC、LTCC產(chǎn)業(yè)高峰論壇
2021年7月9日（周五）
深圳 觀瀾 格蘭云天酒店
時(shí)間 | 議題 | 演講單位 |
09:00-09:25 | 開(kāi)場(chǎng)介紹 | 艾邦智造 江耀貴 創(chuàng)始人 |
09:25-09:50 | 淺談MLCC未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) | 宇陽(yáng)科技 陳永學(xué) 戰(zhàn)略總監(jiān) |
9:50-10:15 | MLCC高端關(guān)鍵生產(chǎn)裝備國(guó)產(chǎn)化解決方案 | 宏華電子 梁國(guó)衡 副總工程師 |
10:15-10:40 | 茶歇 |
10:40-11:05 | 應(yīng)用于電子陶瓷領(lǐng)域的畢克產(chǎn)品介紹 | 畢克化學(xué) 王玉立 博士 |
11:05-11:30 | 淺談我國(guó)無(wú)源元器件的機(jī)遇與挑戰(zhàn) | 風(fēng)華高科 黃昆 LTCC事業(yè)部經(jīng)理/技術(shù)總監(jiān) |
11:30-11:55 | 微波毫米波無(wú)源集成關(guān)鍵材料與技術(shù) | 南方科技大學(xué)工學(xué)院黨委書(shū)記/副院長(zhǎng) 汪宏 教授 |
11:55-14:00 | 午餐 |
14:00-14:25 | 封接玻璃作用機(jī)理及在電子元器件應(yīng)用研究進(jìn)展 | 華東理工大學(xué) 曾惠丹 教授/博導(dǎo) |
14:25-14:50 | LTCC高頻低介電常數(shù)陶瓷生料帶 | 上海晶材新材料 汪九山 總經(jīng)理 |
14:50-15:15 | 稀土在先進(jìn)電子陶瓷電容材料中的研究進(jìn)展 | 晶世新材料 程佳吉 教授 |
15:15-15:40 | 高性能電容器材料的應(yīng)用研究 | 上海硅酸鹽研究所 陳學(xué)鋒 研究員/博士 |
15:40-16:05 | 茶歇 |
16:05-16:30 | MLCC產(chǎn)品失效分析和檢測(cè)手段 | 深圳納科科技 段建林 總經(jīng)理 |
16:30-16:55 | 物理氣相法制備MLCC內(nèi)外電極金屬粉體 | 江蘇博遷新材料 江益龍 總經(jīng)理 |
16:55-17:20 | 如何提升LTCC激光開(kāi)孔效果對(duì)后段工藝良率影響 | 東莞盛雄激光 王耀波 高級(jí)項(xiàng)目總監(jiān) |
17:20-17:45 | MLCC在5G基站的應(yīng)用及可靠性評(píng)估方法 | 中興 楊航 材料技術(shù)質(zhì)量高級(jí)工程師 |
17:45-20:00 | 晚宴
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